Разработка алгоритмов и программ оценивания электронного содержания и радиотомографического восстановления поля концентрации электронов в ионосфере на основе радиосигналов спутниковых систем

Процессы рассеяния, дисперсии и поглощения, сопровождающие распространение электромагнитной волны, приводят к тому, что радиосигнал замедляется и ослабевает при прохождении через электронные скопления в ионосфере. В статье решается задача восстановления поля концентрации электронов на основе радиопросвечивания ионосферы. Рассматривается вывод аналитических соотношений для определения полного электронного содержания (ПЭС) в ионосфере на основе радиосигналов глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) на двух частотах. Рассмотрены методы вычисления ПЭС как по прямым спутниковым сигналам, так и на основе перекрестной ретрансляции с использованием малогабаритного спутника-ретранслятора формата CubeSat. Приводятся аналитические соотношения и описаны алгоритмы вычисления ПЭС, рассчитанного на основе фазовых и псевдодальностных измерений, которое затем используется для построения алгоритмов вычислительной томографии с целью оценки структур восстановленных изображений электронной плотности. Как итог, в предложенных алгоритмах радиотомографии используются данные ПЭС для создания двумерных изображений поля концентрации электронов в ионосфере, что позволяет оценить как структуру, так и динамику ионосферы.

1. Дэвис, К. Радиоволны в ионосфере: пер. с англ. / К. Дэвис. – М.: Мир. – 1973. – 502 с.

2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Р. В. Бакитько, Е. Н. Болденков, Н. Т. Булавский [и др.]; под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Радиотехника, 2010. – 800 с.

3. Куницын, В. Е. Радиотомография ионосферы / В. Е. Куницын, Е. Д. Терещенко, Е. С. Андреева. – М.: Физматлит, 2007. – 336 с.

4. Афраймович, Э. Л. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли / Э. Л. Афраймович, Н. П. Перевалова. – Иркутск: ГУ НЦ ВСНЦ СО РАМН, 2006. – 480 с.

5. Романов, А. А. Измерение полного электронного содержания ионосферы Земли с помощью многочастотного когерентного зондирующего сигнала / А. А. Романов, А. В. Новиков, А. А. Романов // Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. – 2009. – Т. 111, № 4. – С. 31–36.

6. Семейство наноспутников изучения ионосферы на базе платформы SamSat разработки Самарского университета / И. В. Белоконов, Е. А. Болтов, Н. А. Елисов [и др.] // Восьмой Белорусский космический конгресс, Минск, 25–27 окт. 2022 г.: материалы конгресса: в 2 т. – Минск, 2022. – Т. 1. – С. 167–170.

7. Определение концентрации электронов в ионосфере над территорией Республики Беларусь по данным глобальных навигационных спутниковых систем / А. O. Наумов, П. A. Хмарский, Н. И. Бышнев [и др.] // Весці Нацыянальнай акадэміі навук Беларусі. Серыя фізіка-тэхнічных навук. – 2024. – Т. 69, № 1. – С. 53–64. https://doi.org/10.29 235/1561-8358-2024-69-1-53-64

8. Beacon satellite receiver for ionospheric tomography / J. Vierinen, J. Norberg, M. S. Lehtinen [et al.] // Radio Science. – 2014. – Vol. 49, № 12. – P. 1141–1152. https://doi.org/10.1002/2014RS005434

9. Способ оценивания полного электронного содержания в ионосфере на основе ретрансляции сигналов глобальной навигационной спутниковой системы GPS / И. В. Белоконов, А. М. Крот, С. В. Козлов [и др.] // Информатика. – 2023. − Т. 20, № 4. – С. 7–27. https://doi.org/10.37661/1816-0301-2023-20-2-7-27

10. Krot, A. M. Development of radiotomography algorithms for the study of electron clouds in the ionosphere and structures in the dusty plasma using low-orbital satellite systems / A. M. Krot, I. E. Savinykh // Proceedings of 15th Moscow Solar system Symposium (15M-S3), Space Research Institute, Moscow, Russia, 21–25 October, 2024. – M., 2024. – P. 230−231.

11. Ратклифф, Дж. А. Магнито-ионная теория и ее приложения к ионосфере: пер. с англ. / Дж. А. Ратклифф. – М.: Изд-во иностр. лит., 1962. – 248 с.

12. Шапкин, А. С. Алгоритм оценки абсолютного полного электронного содержания ионосферы по данным двухчастотных фазовых и дальностных спутниковых измерений / А. С. Шапкин // Информатика. – 2024. − Т. 21, № 1. – С. 48–64. https://doi.org/10.37661/1816-0301-2024-21-1-48-64

13. Variability of GPS/GLONASS differential code biases / A. A. Mylnikova, Yu. V. Yasyukevich, V. E. Kunitsyn, A. M. Pa dokhin // Results in Physics. – 2015. – Vol. 5. – P. 9–10. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2014.11.002

14. Hofmann-Wellenhof, B. Global Positioning System: Theory and Practice / B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, J. Collins. – Springer Vienna, 2001. – XXIV, 382 p. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-6199-9

15. Study on cycle-slip detection and repair methods for a single dual-frequency global positioning system (GPS) receiver / La Van Hieu, V. G. Ferreira, Xiufeng He, Xu Tang // Boletim de Ciências Geodésicas. – 2014. – Vol. 20, № 4. – P. 984–1004. https://doi.org/10.1590/s1982-21702014000400054

16. Cycle slip detection and repair for undifferenced GPS observations under high ionospheric activity / Changsheng Cai, Zhizhao Liu, Pengfei Xia, Wujiao Dai // GPS Solutions. – 2013. – Vol. 17. – P. 247–260. https://doi.org/10.1007/s10291-0120275-7

17. Ya’acob, N. Determination of GPS total electron content using single layer model (SLM) ionospheric mapping function / N. Ya’acob, M. Abdullah, M. Ismail // International Journal of Computer Science and Network Security. – 2008. – Vol. 8, № 9. – P. 154–160.

18. Даджион, Д. Цифровая обработка многомерных сигналов: пер. с англ. / Д. Даджион, P. Mepcepo. – М.: Мир, 1988. – 488 с.

19. Савиных, И. Э. Радиотомографический анализ ионосферы детерминистскими методами / И. Э. Савиных // Фундаментальные и прикладные космические исследования: материалы ХХI конф., Москва, 10–12 апр. 2024 г. – М., 2024. – С. 157–158.

20. Крот, А. М. Синтез алгоритмов БПФ по расщепляемому основанию для действительных и эрмитово-симметричных последовательностей / А. М. Крот, Е. Б. Минервина // Известия ВУЗов СССР. Радиоэлектроника. – 1989. – Т. 32, № 12. – С. 12–17.

21. Krot, A. M. Comment: Conjugate pair fast Fourier transform / A. M. Krot, H. B. Minervina // Electronics Letters. – 1992. – Vol. 28, № 12. – P. 1143–1144. https://doi.org/10.1049/el:19920721

22. Крот, А. М. Быстрые алгоритмы и программы цифровой спектральной обработки сигналов и изображений / А. М. Крот, Е. Б. Минервина. – Минск: Навука i тэхнiка, 1995. – 407 с.